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Un entorno de desarrollo visual para reforzar la comprensión de
algoritmos y estructuras de datos
Alejandra Schiavoni, Laura Fava, Jorge Rosso
LINTI - Laboratorio de Investigación en Nuevas Tecnologías Informáticas.
Facultad de Informática. Universidad Nacional de La Plata
Calle 50 esq. 120, 2do Piso. Tel: +54 221 4223528
{ales, lfava, jrosso}@info.unlp.edu.ar
Resumen
La enseñanza de Algoritmos y
Estructuras de Datos, es fundamental en
las carreras de Ciencias de la
Computación ya que éstas representan las
posibles maneras de organizar los datos y
el acceso a los mismos de manera
eficiente. Estos temas se incluyen en las
asignaturas del área de programación en
los primeros años de las carreras. En
general, se observa que a los estudiantes
de estos cursos, les resulta complejo
comprender los conceptos relacionados
con estructuras de datos avanzadas y sus
algoritmos de acceso.
En este contexto, es de mucha utilidad
para los estudiantes, contar con
herramientas
que
acompañen
el
aprendizaje de esta temática. Este artículo
presenta una línea de investigación cuyo
objetivo central es diseñar una
herramienta
educativa
innovadora
destinada a mejorar la comprensión de
algoritmos y estructuras de datos a través
de la visualización de las estructuras de
datos y de la exploración de la ejecución
de sus propios algoritmos.
Palabras
clave:
algoritmos
y
estructuras de datos, visualización de
estructuras
de
datos,
recursión,
programación, Programación Orientada a
Aspectos, JAVA.
Contexto
La Facultad de Informática cuenta
actualmente con más de 4000 alumnos y
300 docentes [1]. Se dictan tres carreras
de grado: Licenciatura en Informática,
Licenciatura en Sistemas y Analista
Programador Universitario. La asignatura
Algoritmos y Estructuras de Datos
corresponde a una materia obligatoria de
segundo año de las tres carreras que
cuenta con más de 400 alumnos
inscriptos. Además, en conjunto con la
Facultad de Ingeniería se dicta la carrera
de Ingeniería en Computación desde el
año 2011. En el plan de la carrera se
encuentra la asignatura Programación 3,
que es de carácter obligatorio,
corresponde a segundo año y cuenta con
más de 100 alumnos inscriptos.
Dentro de los contenidos de ambas
asignaturas se encuentra el estudio de
estructuras de datos básicas y avanzadas
tales como listas, pilas colas, árboles
generales y binarios y grafos. Los
alumnos aprenden los conceptos básicos
de las representaciones y los algoritmos
de acceso. Durante la cursada los alumnos
deben implementar las estructuras de
datos vistas usando el lenguaje de
programación Java.
La herramienta propuesta podría ser
usada como un complemento novedoso
de las clases teóricas y prácticas en las
que el alumno incorpora los conceptos y
los aplica en el desarrollo de sus propios
algoritmos.
El proyecto descripto en este artículo
se desarrolla en el Laboratorio de
Investigación en Nuevas Tecnologías
Informáticas, LINTI de la Facultad de
Informática de la UNLP y está enmarcado
en el proyecto 11-F014 “Innovación en
TICs para el desarrollo de aplicaciones
en educación, inclusión, gobierno y
salud”, acreditado en el marco del
Programa de Incentivos, bajo la dirección
del Lic. Javier Díaz.
Introducción
En Ciencias de la Computación el
estudio de las Estructuras de Datos, es
fundamental dado que las mismas son
utilizadas en el desarrollo de casi todo
tipo de software. Estudiar estructuras de
datos implica estudiar las diferentes
maneras de almacenar y organizar datos
para facilitar el acceso y modificación [2].
El uso de una herramienta que visualice
las diferentes estructuras de datos y el
comportamiento de los algoritmos sobre
ellas resulta de suma importancia,
especialmente para los estudiantes de los
primeros años de las carreras de
informática. Actualmente existen varias
herramientas dedicadas a reforzar la
enseñanza de las estructuras de datos a
través de una representación visual que
ayuda a disminuir la abstracción inherente
al estudio de las mismas [3,4,5]. Sin
embargo algunas sólo consisten en
animaciones de las operaciones sobre las
estructuras a partir de un código
inaccesible, otras si bien permiten
visualizar la ejecución de un código
propio, fuerzan a usar alguna técnica
intrusiva -decorando o adaptando el
código fuente original de la estructura- o
conductista -usando un lenguaje no
estándar/propietario-.
Este artículo presenta una línea de
investigación cuyo objetivo central es
diseñar una herramienta educativa
innovadora destinada a la enseñanza de
las estructuras de datos, atendiendo a las
dificultades observadas en los alumnos en
cuanto a la comprensión y asimilación del
comportamiento de las diferentes
estructuras de datos.
La herramienta a implementar está
orientada a ofrecer una funcionalidad
amplia y diversa basada en la posibilidad
de contar con una representación visual
de las estructuras de datos y de
inspeccionar el estado de ejecución de
algoritmos definidos por los alumnos.
Esto último resulta novedoso y a la vez
muy útil, en especial en algoritmos
recursivos, en los que va a ser posible
realizar un seguimiento detallado del
estado de cada una de las llamadas
realizadas.
En la actualidad, después de un
análisis profundo de las tecnologías
disponibles, se está implementando un
primer prototipo con las herramientas
seleccionadas. En principio, como el
lenguaje utilizado para la implementación
de las estructuras de datos en las
asignaturas Algoritmos y Estructuras de
Datos y Programación 3 es JAVA, se
tuvieron en cuenta soluciones basadas en
este lenguaje. Por un lado, en las
prácticas, los estudiantes utilizan Eclipse
como entorno de desarrollo, motivo por el
cual se decidió implementar un plug-in1
para integrarlo con este entorno, en vez de
desarrollar una herramienta desde cero.
De esta manera, los estudiantes
seguirán usando Eclipse, un entorno de
amplia aceptación en la comunidad de
desarrolladores JAVA, pero con la
1
Un plug-in es una componente de software, es la
unidad funcional más pequeña de la plataforma
Eclipse que puede ser desarrollada de manera
separada e integrada al entorno Eclipse para
potenciar su funcionalidad.
potencialidad del plug-in. Podrán ejecutar
sus programas de la manera tradicional o
elegir la opción ejecutar bajo las
funcionalidades del plug-in.
Por otro lado, para lograr la
visualización de los algoritmos, el
seguimiento de los mismos, el paso a
paso en determinados métodos, y el
estado de las variables en los sucesivos
llamados recursivos, se decidió utilizar
Programación Orientada Aspectos con el
objetivo de no ser intrusivo en el código
fuente de las estructuras de los
estudiantes. Los aspectos que definen qué
código
sería
interceptado,
son
independientes del código
fuente
implementado por los estudiantes [6].
Las funciones ofrecidas por la
herramienta serán:
 Visualización del estado de ejecución
de los códigos fuentes Java
implementados por los alumnos
 Acceso
al estado actual de las
variables y al estado de las mismas en
cada uno de los llamados recursivos
anteriores.
 Visualización de las estructuras de
datos seleccionadas por el alumno en
un panel específico.
 Representación animada de la
ejecución
de
los
algoritmos
implementados por los alumnos de las
operaciones comunes que se realizan
sobre las estructuras de datos:
inserción, eliminación, recorridos.
Líneas
de
Investigación,
Desarrollo e Innovación
Las líneas de investigación, desarrollo
e innovación que se llevan a cabo en este
proyecto se basan en dos ejes principales:
uno vinculado a la enseñanza de las
estructuras de datos y el otro relacionado
con tecnologías avanzadas de JAVA.
El primer eje incluye aspectos
relacionados con el estudio, uso y
comprensión de las estructuras de datos y
de técnicas de programación, teniendo en
cuenta las dificultades que ellas presentan
en los alumnos de los primeros años de
las carreras. Respecto a las estructuras de
datos, es importante brindar una
herramienta que les permita a los alumnos
experimentar de manera de reducir la
abstracción que su estudio conlleva.
Respecto a las técnicas de programación,
se analizan diferentes metodologías de
enseñanza que apuntan a mejorar la
comprensión y aplicación en casos
concretos. La herramienta fue pensada
para atacar los puntos críticos que se
presentan al momento de aprender una
nueva técnica de resolución de problemas.
Tal es el caso de la recursión que
involucra una forma distinta de pensar y
encarar la solución a problemas [7, 8].
El segundo eje incluye el análisis y
aplicación de tecnologías avanzadas
basadas en el lenguaje Java para la
implementación de un entorno de
desarrollo visual, fácil de usar y que
ayude a reforzar la comprensión de
algoritmos y estructuras de datos.
Como ya se mencionó, la herramienta
será implementada usando tecnologías
JAVA y para se establecieron las
siguientes tres líneas:
1. Desarrollo de un plug-in y análisis
para su integración con Eclipse.
Eclipse es un framework de código
abierto para la creación de entornos de
desarrollo integrado utilizando un
conjunto de herramientas y componentes
GUI
pre-construidas.
Desde
su
lanzamiento, ha generado gran interés en
muchos desarrolladores. El Workbench
de Eclipse se compone de:
 Editores: los diferentes editores son
paneles asociados con tipos de
documentos específicos.
 Vistas: son paneles que apoyan a los

editores.
Perspectivas: son combinaciones de
vistas específicas y editores.
La idea de este plug-in es que
incorpore una nueva Perspectiva a
Eclipse, donde una vista muestre el
código fuente java, otra el estado de las
variables en los diferentes llamados
recursivos (de métodos interceptados por
el aspecto), otra la visualización de las
estructuras de datos y algoritmos
asociados [9].
las acciones que se llevarán a cabo se
escriben en un aspecto (Aspect).
El momento en que se entrelaza
(weaving) el código origen con los
aspectos se puede dar en tres momentos:
en compilación (compile-time weaving),
durante el empaquetado de un archivo
JAR, o en ejecución (load-time weaving).
La Fig. 1 muestra una esquematización
del funcionamiento de AOP para
entremezclar los aspectos con los
programas.
2. Análisis de las características de la
programación orientada a aspectos y
su aplicación en la herramienta
Desde un principio se busco poder
visualizar
estructuras
de
manera
independiente del código desarrollado por
los alumnos. Es decir, se buscaba alguna
manera de indicarle a la herramienta las
clases y métodos que permitirían describir
la composición de la estructura y los
datos contenidos en ella, sin imponer
algún requerimiento de convención de
nombres o alguna inclusión de
anotaciones JAVA que indique de qué
tipo de estructura se trata y cuáles son sus
métodos de acceso a la información.
Por otro lado utilizar archivos
descriptores (con algún formato estándar
como XML o JSON) asociados con las
estructuras utilizadas, resultaría en una
solución un tanto estática.
De esta manera llegamos a la
conclusión de que la Programación
Orientada a Aspectos nos permitiría
resolver este tema de una manera más
elegante y dinámica.
Con AspectJ es posible indicar puntos
de un programa en los cuales uno desea
examinar los objetos y realizar alguna
determinada acción sin modificar el
código original. La especificación de
estos puntos de intervención (Pointcuts) y
Fig. 1: Weaving de aspectos con el código fuente
3. Estudio de las componentes de
interfaz de usuario provistas por
JAVA para la implementación de la
visualización de las estructuras de
datos y la animación de algoritmos.
La plataforma estándar de JAVA,
provee una librería de componentes
gráficas para crear GUIs de alta calidad.
Se profundizarán tópicos avanzados de
Java 2D, Swing y técnicas de animación
para lograr una GUI amigable, expresiva
que capture la atención de los estudiantes
[10].
Resultados y Objetivos
Como se mencionó anteriormente, la
posibilidad de contar con una herramienta
de apoyo al proceso de enseñanza de
conceptos relacionados a la programación
como son las estructuras de datos y la
técnica de recursión, resulta novedoso y
más que útil en los años iniciales.
El proyecto presentado en este artículo
está en una etapa inicial, razón por la cual
los resultados representan las primeras
pruebas de la tecnología a utilizar y de la
integración entre ellas. Los resultados
alcanzados en esta etapa son:
 Análisis y diseño visual de la
herramienta propuesta en este
artículo.
 Implementación e integración de un
plug-in
para
Eclipse
con
funcionalidad mínima para testear la
incorporación
de
nuevas
funcionalidades en el ambiente.
 Estudio
y aplicación de la
Programación Orientada a Aspectos a
través de la definición de un Aspecto
básico y general que inspecciona
algoritmos.
Los objetivos inmediatos se relacionan
con la implementación de la visualización
del seguimiento de la ejecución de los
algoritmos:
 Analizar las distintas componentes de
interfaz de usuario de SWING, y
seleccionar la más apropiada para
visualizar en forma clara las
sucesivas llamadas de algoritmos
recursivos.
 Implementar las funcionalidades del
plug-in que representa el seguimiento
de la ejecución de algoritmos
recursivos, y su visualización en la
componente de interfaz de usuario
seleccionada.
 Implementar la lógica del Aspecto
para que cumpla con la funcionalidad
de inspeccionar métodos/algoritmos
seleccionados por el alumno.
Los objetivos
relacionados con
posteriores están
la representación
animada de las estructuras y algoritmos
implementados por los estudiantes. Esto
implica un trabajo intenso de desarrollo
de Interfaz de Usuario Grafica, teniendo
en cuenta que tanto la visualización de las
estructuras como la animación de los
algoritmos depende en forma directa del
código propio que está ejecutando el
alumno y se resuelve en tiempo de
ejecución.
Como objetivo final del proyecto se
prevé el testeo de la herramienta
desarrollada con un grupo reducido y
voluntario de estudiantes para evaluar el
impacto en su aprendizaje. Se espera
poder usarla como
complemento
innovador a las clases teóricas,
explicaciones
prácticas
y
textos
recomendados por la Cátedra.
Formación de Recursos Humanos
El equipo de trabajo de la línea de
I+D+i presentada en esta artículo se
encuentra
formado
por
docentes
investigadores categorizados del LINTI y
alumnos avanzados de las carreras de Lic.
en Informática y Lic. en Sistemas de la
Facultad de Informática.
Basada en las líneas de investigación
de este proyecto se está comenzando a
desarrollar una tesina de grado.
Referencias
[1]
Anuario
Estadística
2013/2014:
http://www.unlp.edu.ar/indicadores
[2] T. Cormen, C. Leiserson, R. Rivest, C.
Stein; Introduction to Algorithms, Second
Edition, ISBN 0-07-013151-1 (McGrawHill), 2001.
[3] T. Chen and T. Tarek Sobh; A Tool for
Data Structure Visualization and Userdefined Algorithm Animation, Department of
Computer
Science
and
engineering,
University of Bridgeport, USA. Accesible en:
http://www1bpt.bridgeport.edu/~risc/pdf/jp29
.pdf
[4] J. Cross, D. Hendrix; Workshop jGRASP:
An Integrated Development Environment with
Visualizations for Teaching Java in CS1,
CS2, and Beyond, 36th ASEE/IEEE Frontiers
in Education Conference, ISBN 1-4244-02565, 27 -31 Oct. 2006.
[5] G. Cardim, I. Marcal, C. de Sousa, D. de
Campos, C. Marin; A. do Carmo, D. Toledo,
A. Saito, R. Correia, R. Garcia, Teaching and
Learning of Data Structures Supported by
Computer: An Experience with the CADILAG
tool. Information Systems and Technologies
(CISTI), 2012 7th Iberian Conference,
Madrid, p:1-5. ISBN 978-1-4673-2843-2
[6] J. Gradecki, N. Lesiecki, Mastering
AspectJ: Aspect-Oriented Programming in
Java. ISDN 0-471-43104-4, Wiley, 2003.
[7] J. Zhang, M. Atay, E. Smith, E. Caldwell,
E. Jones, Using a Game-Like Module to
Reinforce
Student
Understanding
of
Recursion, Frontiers in Education Conference
(FIE), IEEE, ISBN: 978-1-4799-3921-3,
Madrid, Spain, 22 – 25 Oct, 2014.
[8] A. Chaffin, K. Doran, D. Hicks, T Barnes,
Experimental Evaluation of Teaching
Recursion in a Video Game, Proceedings of
the 2009 ACM SIGGRAPH, Shimposium of
Video Games, 79-86.
[9] A. Blewitt, Eclipse 4 Plug-in
Development by Example: Beginner's Guide.
ISBN 978-1-78216-032-8, Packt Publishing,
2013.
[10] C. Haase and R. Guy, Filthy Rich
Clients: Developing Animated and Graphical
Effects for Desktop Java Applications, ISBN10: 0132413930, Addison Wesley, 2007.